[論文レビュー] Secure Broadcasting

Ashish Khisti, Aslan Tchamkerten+1 more|ArXiv.org|Feb 16, 2007

Wireless Communication Security Techniques被引用数 20

ひとこと要約

この論文は、複数の意図された受信者と1人の盗聴者を伴う並列およびフェージングブロードキャストチャネルに、ワイナーのワイヤータップチャネルを拡張する。逆に劣化したチャネル条件下で共通メッセージおよび独立メッセージのセキュリティ容量を確立し、安全なマルチキャスティングが受信者の数に依存せずに正のレートを達成できることを示し、送信機におけるチャネル状態情報（CSI）を用いた機会的スケームが、大規模受信者数の極限においてセキュリティ和容量を達成することを示している。

ABSTRACT

Wyner's wiretap channel is extended to parallel broadcast channels and fading channels with multiple receivers. In the first part of the paper, we consider the setup of parallel broadcast channels with one sender, multiple intended receivers, and one eavesdropper. We study the situations where the sender broadcasts either a common message or independent messages to the intended receivers. We derive upper and lower bounds on the common-message-secrecy capacity, which coincide when the users are reversely degraded. For the case of independent messages we establish the secrecy sum-capacity when the users are reversely degraded. In the second part of the paper we apply our results to fading channels: perfect channel state information of all intended receivers is known globally, whereas the eavesdropper channel is known only to her. For the common message case, a somewhat surprising result is proven: a positive rate can be achieved independently of the number of intended receivers. For independent messages, an opportunistic transmission scheme is presented that achieves the secrecy sum-capacity in the limit of large number of receivers. Our results are stated for a fast fading channel model. Extensions to the block fading model are also discussed.

研究の動機と目的

• 複数の意図された受信者と1人の盗聴者を伴う並列ブロードキャストチャネルに、ワイナーのワイヤータップチャネルモデルを拡張すること。
• 逆に劣化したチャネル条件下での共通メッセージのセキュリティ容量および独立メッセージのセキュリティ和容量を特徴付けること。
• 送信機に全チャネル状態情報（CSI）が得られ、盗聴者には部分的CSIが得られるフェージングチャネルにおける安全なブロードキャスティングを調査すること。
• マルチユーザー多様性とチャネル状態情報を活用した安全なマルチキャスティングおよび独立メッセージ配信のための送信方式を開発すること。
• 受信者の数が増加しても正のセキュリティレートが達成可能であることを確立すること。

提案手法

• 並列ブロードキャストチャネルにおける共通メッセージのセキュリティ容量の上界と下界を導出するが、逆に劣化した条件下では両者が一致する。
• 各並列チャネルごとに独立したコードブックを用い、受信機で共同復調を行うことで共通メッセージ容量を達成する。
• 独立メッセージの場合は、各チャネルで最も強いユーザーに送信するスケームを提案し、独立したコードブックを用いる。
• i.i.d.フェージング利得を伴う高速フェージングチャネルに結果を適用し、送信機および盗聴者に完全なCSIを仮定する。
• 各時刻スロットでチャネル状態が最も良いユーザーを選択する機会的送信方式を開発し、セキュリティ和容量を達成する。
• ガウス型ワイヤータップコードブックを用い、相互情報量の表現の凹性を活用して達成可能なレートを制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の意図された受信者と1人の盗聴者を伴うフェージングブロードキャストチャネルにおいて、受信者の数が増加してもマルチキャスティングの正のセキュリティレートが達成可能か？
• RQ2 盗聴者を伴う逆に劣化した並列ブロードキャストチャネルにおける独立メッセージのセキュリティ容量は何か？
• RQ3 送信機に全CSIが利用可能である場合、フェージングチャネルにおける達成可能なセキュリティレートにどのような影響を与えるか？
• RQ4 マルチユーザー多様性を活用することで、大規模受信者数の極限においてセキュリティ和容量を達成可能か？
• RQ5 送信機が意図された受信者のチャネル状態を完全に把握している場合、盗聴者のチャネル状態情報の有無がセキュリティレートに与える影響は何か？

主な発見

• フェージングチャネルにおける共通メッセージブロードキャスティングでは、マルチユーザー多様性と送信機のCSIのおかげで、受信者の数にかかわらず正のセキュリティレートが達成可能である。
• 逆に劣化した場合、共通メッセージのセキュリティ容量は、各チャネルごとの独立コードブックと受信機での共同復調によって達成される。
• 独立メッセージの場合は、受信者数が非常に多い極限において、最も強いユーザーに送信する機会的スケームによってセキュリティ和容量が達成される。
• 相互情報量の表現の凹性とフェージング状態にわたる限界的なパワー割り当てを用いて、セキュリティレートの上界が導出される。
• 盗聴者のチャネル利得分布がセキュリティレートに影響を与えることが示されたが、与えられた仮定の下では上界はタイトなまま保たれる。
• 本論文は、盗聴者チャネル利得と最も強い受信者チャネル利得の対数比の期待値が 2 log 2 で有界であることを証明しており、正のセキュリティレートの達成可能性を裏付ける。